CN113692699A - 变流器、具有变流器的布置和其运行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有子转换器(9)的变流器(2)，子转换器具有：用于在输入的电的三相电源系统处连接的子转换器自身的输入三相电源接口(L1’，L2’，L3’)，以及形成子转换器自身的输出三相电源系统的子转换器自身的输出三相电源接口(A’、B’，C’)，和用于接触子转换器自身的输出三相电源系统的星形接点的子转换器自身的星形接点接口(X)。根据本发明提出，变流器(2)包括至少一个另外的子转换器(9)，该子转换器具有子转换器自身的输入三相电源接口(L1’，L2’，L3’)、形成子转换器自身的输出三相电源系统的子转换器自身的输出三相电源接口(A’、B’，C’)和用于接触子转换器自身的输出三相电源系统的星形接点的子转换器自身的星形接点接口(Y)，子转换器(9)关于其子转换器自身的输入三相电源接口(L1’，L2’，L3’)并联连接，并且并联连接的子转换器自身的输入三相电源接口(L1’，L2’，L3’)形成用于在一个或相同的输入的三相电源系统处连接的变流器自身的输入三相电源接口(L1，L2，L3)，并且子转换器(9)关于其子转换器自身的输出三相电源接口(A’、B’，C’)并联连接，其中，子转换器(9)的每个子转换器自身的输入三相电源接口分别具有一个转换器模块(10)，并且转换器模块(10)分别具有两个或者更多输出侧的电串联连接的子模块(13)、一个变压器(17)。

Description

变流器、具有变流器的布置和其运行的方法
技术领域
本发明涉及变流器、具有变流器的布置和其运行方法。
本发明还涉及具有子转换器的变流器，子转换器具有：用于在输入的电的三相电源系统处连接的子转换器自身的输入三相电源接口，以及形成子转换器自身的输出三相电源系统的子转换器自身的输出三相电源接口，和用于接触子转换器自身的输出三相电源系统的星形接点的子转换器自身的星形接点接口。
背景技术
具有描述的类型的子转换器的变流器，和因此以及子转换器本身是普遍已知的，并且例如由西门子股份公司(Siemens AG)以产品名Sinamics Perfect Harmony GH 180提供并且出售。
发明内容
本发明的目标是进一步改进所描述的类型的变流器。
目标根据本发明通过具有根据权利要求1的特征的变流器实现。根据本发明的变流器的有利的设计方案在从属权利要求书中给出。
之后，根据本发明提出，变流器包括至少一个另外的子转换器，子转换器具有子转换器自身的输入三相电源接口、形成子转换器自身的输出三相电源系统的子转换器自身的输出三相电源接口和用于接触子转换器自身的输出三相电源系统的星形接点的子转换器自身的星形接点接口，子转换器关于其子转换器自身的输入三相电源接口并联连接，并且并联连接的子转换器自身的输入三相电源接口形成用于在一个或相同的输入的三相电源系统处连接的变流器自身的输入三相电源接口，并且子转换器关于其子转换器自身的输出三相电源接口并联连接。
根据本发明的变流器的主要优点在于，变流器在星形接点接口处在合适的驱控变流器或子转换器时可选地产生任意频率的直流电压或交流电压，并且能够输出相应的直流电流或交流电流。
根据本发明的变流器的另一优点在于，在并联连接的子转换器自身的输出三相电源接口的相应的外部的布线时，还能在输出侧附加地也输出三相电流。
根据本发明的变流器的优点还在于，子转换器能够没有共同的中间电路直流电压。
有利的是，如果一个和另外的子转换器的每个子转换器自身的输入三相电源接口分别具有转换器模块。
优选地，每个转换器模块分别具有模块侧的输入三相电源接口、模块侧的零线接口、模块侧的输出三相电源接口和模块侧的星形接点接口。
转换器模块的模块侧的零线接口优选彼此连接，并且优选形成相应的子转换器的子转换器自身的零线接口。
优选地，转换器模块的模块侧的星形接点接口彼此连接，并且形成相应的子转换器的子转换器自身的星形接点接口。
模块侧的输入三相电源接口优选分别形成相应的子转换器的子转换器自身的输入三相电源接口之一。
优选地，模块侧的输出三相电源接口分别形成相应的子转换器的子转换器自身的输出三相电源接口之一。
还有利的是，如果转换器模块分别具有两个或者更多电串联连接的子模块、一个具有初级绕组的变压器并且每个子模块分别具有一个次级绕组。
借助于变压器还能够实现子转换器自身的三相电源接口与子转换器自身的星形接点接口之间的电流分离。子转换器自身的三相电源接口和子转换器自身的输出三相电源接口也是彼此电流分离的，从而能够为两个连接系统自由地预设不同的参考电势。用于子转换器自身的输出三相电源接口的参考电势的预设例如能够经由一个或两个子转换器自身的星形接点接口实现。
优选地，每个子模块在输入侧分别与变压器的次级绕组之一单独连接。
优选地，变压器的初级绕组的接口之一形成模块侧的输入三相电源接口，并且优选地，变压器的初级绕组的另一接口形成模块侧的零线接口。
优选地，子模块分别具有整流器模块、整流器模块下游的电容器模块和电容器模块下游的逆变器模块，其中，整流器模块与变压器的和子模块相关联的次级绕组连接。
优选地，子模块的电的串联电路基于逆变器模块的交流电压接口的级联互连。
本发明还涉及具有至少一个如上所述的变流器的变流器布置。
有利的是，如果在变压器布置中并联连接的子转换器自身的输出三相电源接口由外部(外部的)形成可进入的变流器自身的输出三相电源接口。
优选地，三相变两相单相变压器的初级回路侧连接在变压器自身的输出三相电源接口处。
还有利的是，如果(替代地或附加地)变压器自身的输出三相电源接口连接在变压器的初级回路侧处时，变压器对此适合，将两个交流电压在其次级回路侧上以90度的相位差输出。
优选地，电的存储器和/或电的用电器、尤其是电的电阻连接在一个子转换器的子转换器自身的星形接点接口与至少一个另外的子转换器的子转换器自身的星形接点接口之间。
还有利的是，如果变流器布置包括发电机、尤其是异步电机，异步电机提供至少两个发电机侧的输出三相电源系统，发电机侧的输出三相电源系统之一与变流器自身的输入三相电源接口连接，并且另一个发电机侧的输出三相电源系统与变流器自身的输出三相电源接口连接。
在替代的、同样被视为有利的实施变体方案中提出，并联连接的子转换器自身的输出三相电源接口形成内部的变流器自身的输出三相电源接口，并且每个变流器自身的输入三相电源接口分别与内部的变流器自身的输出三相电源接口之一电连接。
本发明还涉及一种用于运行如上所述的变流器的方法。根据本发明提出，利用在变流器自身的输入三相电源接口处连接的输入三相电流之一在变流器中输入三相电流，并且驱控在变流器的子转换器中的子模块，使得输出三相电流在并联连接的子转换器自身的输出三相电源接口处可用和/或在子转换器自身的星形接点接口之间产生直流电压或单相的交流电压。
附图说明
下面根据实施例进一步解释本发明。在此，示例性示出：
图1示出根据本发明的变流器布置的实施例，其具有根据本发明的变流器(umrichter)的实施例；
图2详细地示出根据图1的变流器；
图3示出子转换器的实施例；
图4示出转换器模块的实施例；
图5示出子模块的实施例；
图6示出逆变器模块的实施例；
图7示出逆变器模块的另一实施例；
图8示出电容器模块的实施例；
图9示出整流器模块的实施例；
图10示出根据本发明的变流器布置的另一实施例，其具有根据本发明的变流器的实施例；
图11示出根据本发明的变流器布置的第三实施例，其具有根据本发明的变流器的实施例；和
图12示出根据本发明的变流器的另一实施例。
在附图中，为清楚起见，相同或类似的部件使用相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出具有根据本发明的变流器2的实施例的布置，该变流器经由变压器6连接在电的供电网1处。借助于电流测量装置3测量通过变流器2的电流，并且借助于电压测量装置4测量在变流器2处的连接电压。测量值由控制和驱控变流器2的变流器驱控单元5处理。在变流器2处例如能够连接单相的负载7和/或三相负载8。优选地，变流器2是多电平变流器。
图2详细地示出根据图1的变流器2的实施例。变流器2包括第一子转换器和第二子转换器。优选地，在图中以附图标记9标识的两个子转换器是相同构造，并且分别包括用于在馈入的电的三相电源系统处连接的子转换器自身的输入三相电源接口L1’、L2’、L3’，形成子转换器自身的输出三相电源系统的子转换器自身的输出三相电源接口A’、B’、C’，和用于接触子转换器自身的输出三相电源系统的星形接点的子转换器自身的星形接点接口X或Y。
两个子转换器9关于其子转换器自身的输入三相电源接口L1’、L2’、L3’并联连接。并联连接的子转换器自身的输入三相电源接口L1’、L2’、L3’形成用于在一个和相同的输入三相电源系统处连接的变流器自身的输入三相电源接口L1、L2、L3。
除此之外，子转换器9关于其子转换器自身的输出三相电源接口A’、B’、C’并联连接。根据图2，在实施例变体方案中，子转换器自身的输出三相电源接口A’、B’、C’形成变流器自身的输出三相电源接口A、B、C，输出三相电源接口引导到外部并且由外部是可进入的。因此，根据图2，变流器自身的输出三相电源接口A、B、C也能够称为外部可进入的、变流器自身的输出三相电源接口A、B、C。
根据图1，子转换器自身的星形接点接口X和Y根据子转换器9的驱控通过变流器驱控单元5能够实现直流电压或单相的交流电压的输出。单相的交流电压的频率取决于通过变流器驱控单元5对变流器2的驱控，并且能够从外部在宽的范围中任意调节。
相应地适用在变流器自身的输出三相电源接口A、B、C处输出的三相电压，该三相电压的频率同样取决于通过变流器驱控单元5对变流器的驱控，并且因此同样能够从外部在宽的范围内任意调节。三相电压的频率能够与单相的交流电压在星形接点接口X和Y处的频率，以及与输入三相电源系统在变流器自身的输入三相电源接口L1、L2、L3处的输入三相电压的频率不同。
图3示出根据图2的子转换器9的实施例。子转换器9的每一个子转换器自身的输入三相电源接口L1’、L2’、L3’分别具有转换器模块10。每个转换器模块10分别包括模块侧的输入三相电源接口Lm、模块侧的零线接口Nm、模块侧的输出三相电源接口Am和模块侧的星形接点接口Sm。转换器模块10的模块侧的零线接口Nm彼此连接并且形成子转换器9的子转换器自身的零线接口N。
转换器模块10的模块侧的星形接点接口Sm彼此连接,并且形成子转换器9的子转换器自身的星形接点接口X或Y。模块侧的输入三相电源接口Lm分别形成子转换器9的子转换器自身的输入三相电源接口L1’、L2’、L3’。模块侧的输出三相电源接口Am分别形成子转换器9的子转换器自身的输出三相电源接口A’、B’、C’之一。
图4示出根据图3的转换器模块10的实施例。转换器模块10具有两个或者更多电串联连接的子模块13、具有初级绕组17a的变压器17和每个子模块13分别具有一个次级绕组17b。每个子模块13在输入侧分别与变压器17的次级绕组17b单独连接。
变压器17的初级绕组17a的接口之一形成模块侧的输入三相电源接口Lm并且初级绕组17a的另一接口形成模块侧的零线接口Nm。
除此之外，与子模块13串联的还有耦合电感12和电流测量装置11，电流测量装置测量通过转换器模块10的电流i_conv，并且根据图1传输电流测量值优选地至变流器驱控单元5。
图5示出根据图4的子模块13的实施例。
子模块13具有整流器模块16，整流器模块与变压器17的与子模块13相关联的次级绕组17b连接，并且由次级绕组17b供电，子模块13的接口Lsm和Nsm用作于此。
除此之外，子模块13具有整流器模块16(如沿能量流动方向或能量输入方向E所见)下游的电容器模块15和电容器模块15(如沿能量流动方向E所见)下游的逆变器模块14。在图4示出的子模块13的电的串联电路基于逆变器模块14的交流电压接口AC1和AC2的级联互连。整流器模块16、电容器模块15和逆变器模块14的位于内部的接口在图5中以附图标记DC7和DC8(用于整流器模块16)、DC3和DC4或DC5和DC6(用于电容器模块15)和DC1和DC2(用于逆变器模块14)示出。
图6示出根据图5的逆变器模块14的实施例。逆变器模块14通过由四个半导体开关18组成的H桥模块形成。合适的半导体开关18例如是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、电子注入增强门极晶体管(IEGT)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
图7示出根据图5的逆变器模块14的另一实施例。逆变器模块14通过由两个半导体开关18组成的半桥模块形成。合适的半导体开关18例如是IGBT、IGCT、IEGT或者MOSFET。
图8示出根据图5的电容器模块15的实施例。电容器模块15由缓冲中间电路电压Uz的电容器20和并联连接的电压测量装置19组成，电压测量装置测量中间电路电压Uz并且根据图1优选地传输电压测量值至变流器驱控单元5。
图9示出根据图5的整流器模块16的实施例。整流器模块16包括用于对单相的交流电压进行整流的四个二极管21。替代地，整流器模块还能够使用三相的桥式整流器。
图10示出根据图2的具有变流器2的布置的另一实施例。变流器2用于将双供电的异步电机22与电的供电网1的耦合。
异步电机22具有连接到变流器2的变流器自身的输入三相电源接口L1、L2、L3处的第一交流绕组，和在网络1处与变流器自身的输出三相电源接口A、B、C共同(或与其并联)连接的第二交流绕组。优选地，异步电机22在第一交流绕组处产生具有例如5至10Hz的频率的三相电压，异步电机22的第二交流绕组以具有例如50Hz的频率的供电网络的三相电压被供电。
变流器2在其星形接点接口X和Y处连接到电阻和/或电的存储器23，电阻和/或电的存储器能够用于容纳和/或存储发电机能量，并且因此在网络故障时用于保护电的供电网1。
图11示出根据图2的具有变流器2的布置的第三实施例。变流器2在其变流器自身的输入三相电源接口L1、L2、L3处被供应能量，未进一步示出的电的三相电网连接在该输入三相电源接口处。
变流器2例如用于电的铁路网的供电，并且为此目的与其变流器自身的输出三相电源接口A、B、C连接在三相变两相单相变压器24处。优选地，三相变两相单相变压器24是斯科特(Scott)或LeBlanc变压器。
三相变两相单相变压器24在输出侧具有用于输出第一交流电压的接口U1和Y1和用于输出第二交流电压的U2和Y2。优选地，第一和第二交流电压具有同样的频率例如16 2/3Hz，然而优选地，彼此有90度的相位差。
变流器2在其星形接点接口X和Y处连接到电阻和/或电的存储器23处，电阻和/或电的存储器能够用作容纳和/或存储发电机能量，并且因此在网络故障时用于保护铁路网侧或电的铁路网。
图12进一步详细地示出了根据本发明的变流器2的另一实施例。变流器2根据图12包括第一子转换器和第二子转换器并且对应变流器2根据图2具有区别，即并联连接的子转换器本身的输出三相电源接口A’、B’、C’形成内部的变流器自身的输出三相电源接口A、B、C，变流器自身的输出三相电源接口与变流器自身的输入三相电源接口L1、L2、L3、即同样地并联连接的子转换器自身的输入三相电源接口L1’、L2’、L3’连接。
因此，能够实现直流电压或单相的交流电压的输出的变流器自身的输入三相电源接口L1、L2、L3和子转换器自身的星形接点接口X、Y从外部是可进入的或可布线的。
综上所述，本发明涉及一种具有子转换器的变流器，子转换器具有：用于在输入的电的三相电源系统处连接的子转换器自身的输入三相电源接口，以及形成子转换器自身的输出三相电源系统的子转换器自身的输出三相电源接口，和用于接触子转换器自身的输出三相电源系统的星形接点的子转换器自身的星形接点接口。根据本发明提出，变流器包括至少一个另外的子转换器，另外的子转换器形成子转换器自身的输入三相电源接口、子转换器自身的输出三相电源接口、子转换器自身的输出三相电源系统，并且子转换器具有用于接触输出三相电源系统的子转换器自身的星形接点的子转换器自身的星形接点接口，子转换器关于其子转换器自身的输入三相电源接口并联连接，并且并联连接的子转换器自身的输入三相电源接口形成用于在一个或相同的输入三相电源系统处连接的变流器自身的输入三相电源接口，并且子转换器关于其子转换器自身的输出三相电源接口并联连接，其中，子转换器的每一个子转换器自身的输入三相电源接口分别具有转换器模块，并且转换器模块分别具有两个或者更多输出侧的电串联连接的子模块、一个变压器。
结合图1至图12能够示例性地描述变流器2，根据布线，能够实现产生三相电压以及附加的从输入侧的三相电网中产生直流电压或交流电压，并且分别具有任意的输出频率而无需公共的电的中间电路。
尽管在细节上通过优选的实施例进一步解释和描述了本发明，但是本发明不受公开的实例的限制，并且由本领域技术人员在不脱离本发明保护范围的情况下能够推导得出其他的变体方案。

Claims (14)

1.一种具有子转换器(9)的变流器(2)，所述子转换器具有：
-用于在输入的电的三相电源系统处连接的子转换器自身的输入三相电源接口(L1’，L2’，L3’)以及
-形成子转换器自身的输出三相电源系统的子转换器自身的输出三相电源接口(A’，B’，C’)，和
-用于接触子转换器自身的输出三相电源系统的星形接点的子转换器自身的星形接点接口(X)，
其特征在于，
-所述变流器(2)包括至少一个另外的子转换器(9)，所述另外的子转换器具有：子转换器自身的所述输入三相电源接口(L1’，L2’，L3’)、形成子转换器自身的输出三相电源系统的子转换器自身的所述输出三相电源接口(A’，B’，C’)和用于接触子转换器自身的输出三相电源系统的星形接点的子转换器自身的星形接点接口(Y)，
-所述子转换器(9)关于所述子转换器的子转换器自身的所述输入三相电源接口(L1’，L2’，L3’)并联连接，并且并联连接的子转换器自身的所述输入三相电源接口(L1’，L2’，L3’)形成用于在同一输入的三相电源系统处连接的变流器自身的输入三相电源接口(L1，L2，L3)，并且
-所述子转换器(9)关于所述子转换器的子转换器自身的所述输出三相电源接口(A’，B’，C’)并联连接，
-其中，所述子转换器(9)和所述另外的子转换器(9)的每个子转换器自身的输入三相电源接口分别具有一个转换器模块(10)，
-其中，所述转换器模块(10)分别具有两个或者更多个输出侧的电串联连接的子模块(13)、具有初级绕组(17a)的变压器(17)并且每个所述子模块(13)分别具有一个次级绕组(17b)，
-其中，每个所述子模块(13)在输入侧分别与所述变压器的所述次级绕组单独连接，
-其中，所述变压器的所述初级绕组布置在星形电路中，并且分别与子转换器自身的所述输入三相电源接口(L1’，L2’，L3’)连接。
2.根据权利要求1所述的变流器(2)，其特征在于，所述子转换器自身的星形接点接口(X，Y)能够实现直流电压或单相的交流电压的输出。
3.根据前述权利要求中任一项所述的变流器(2)，其特征在于，每个所述转换器模块(10)分别具有模块侧的输入三相电源接口(Lm)、模块侧的零线接口(Nm)、模块侧的输出三相电源接口(Am)和模块侧的星形接点接口(Sm)，
-其中，所述转换器模块(10)的所述模块侧的零线接口彼此连接，并且形成相应的所述子转换器(9)的子转换器自身的零线接口，
-其中，所述转换器模块(10)的所述模块侧的星形接点接口彼此连接，并且形成相应的所述子转换器(9)的子转换器自身的星形接点接口，
-其中，模块侧的所述输入三相电源接口分别形成相应的所述子转换器(9)的子转换器自身的输入三相电源接口(L1’，L2’，L3’)之一，并且
-其中，模块侧的所述输出三相电源接口分别形成相应的所述子转换器(9)的子转换器自身的输出三相电源接口(A’，B’，C’)之一。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器(2)，其特征在于，
-所述变压器(17)的所述初级绕组(17a)的接口之一形成模块侧的输入三相电源接口，并且
-所述变压器的所述初级绕组(17a)的另一接口形成模块侧的零线接口。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的变流器(2)，其特征在于，所述子模块(13)分别具有整流器模块(16)、所述整流器模块(16)下游的电容器模块(15)和所述电容器模块(15)下游的逆变器模块(14)，所述整流器模块与所述变压器的与所述子模块(13)相关联的次级绕组连接。
6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的变流器(2)，其特征在于，所述子模块(13)的电的串联电路基于逆变器模块(14)的交流电压接口(AC1，AC2)的级联互连。
7.一种变流器布置，其特征在于，所述变流器布置配备至少一个根据前述权利要求中任一项所述的变流器(2)。
8.根据权利要求7所述的变流器布置，其特征在于，
-并联连接的子转换器自身的输出三相电源接口(A’，B’，C’)形成变流器自身的输出三相电源接口(A，B，C)，并且
-三相变两相单相变压器(24)的初级回路侧连接在所述变流器自身的输出三相电源接口(A，B，C)处。
9.根据前述权利要求7或8所述的变流器布置，其特征在于，
-并联连接的所述子转换器自身的输出三相电源接口(A’，B’，C’)形成所述变流器自身的输出三相电源接口(A，B，C)，并且
-所述变流器自身的输出三相电源接口(A，B，C)连接在所述变压器(24)的初级回路侧处，变压器对此适合用于将两个交流电压在所述变压器的次级回路侧上以90度的相位差输出。
10.根据前述权利要求7至9中任一项所述的变流器布置，其特征在于，电的存储器(23)连接在子转换器(9)的子转换器自身的星形接点接口(X)与至少一个另外的子转换器(9)的子转换器自身的星形接点接口(Y)之间。
11.根据前述权利要求7至10中任一项所述的变流器布置，其特征在于，电的用电器(23)连接在子转换器(9)的子转换器自身的星形接点接口(X)与至少一个另外的子转换器(9)的子转换器自身的星形接点接口(Y)之间。
12.根据前述权利要求7至11中任一项所述的变流器布置，其特征在于，
-所述变流器布置包括发电机、特别是异步电机(22)，所述异步电机提供至少两个发电机侧的输出三相电源系统，
-发电机侧的输出三相电源系统之一与变流器自身的输入三相电源接口(L1，L2，L3)连接，并且
-另一个发电机侧的输出三相电源系统与变流器自身的输出三相电源接口(A，B，C)连接。
13.根据前述权利要求7至12中任一项所述的变流器布置，其特征在于，
-并联连接的子转换器自身的输出三相电源接口(A’，B’，C’)形成内部的变流器自身的输出三相电源接口(A，B，C)，并且，
-每个变流器自身的输入三相电源接口(L1，L2，L3)分别与内部的变流器自身的输出三相电源接口(A，B，C)之一电连接。
14.一种用于运行根据前述权利要求中任一项所述的变流器(2)的方法，其特征在于，
-利用在变流器自身的输入三相电源接口(L1，L2，L3)处连接的输入三相电流之一在变流器(2)中输入三相电流，并且，
-驱控在所述变流器(2)的子转换器(9)中的子模块(13)，使得输出三相电流在并联连接的子转换器自身的输出三相电源接口(A’，B’，C’)处可用，和/或在子转换器自身的星形接点接口(X，Y)之间产生直流电压或单相的交流电压。
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